Nghiên cứu thiết kế hệ thống scada cho công đoạn sản xuất axit sunfuric của nhà máy hóa chất DAP

TRẦN ANH DŨNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Trần Anh Dũng

CHUYÊN NGÀNH
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO CÔNG
ĐOẠN SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC CỦA NHÀ MÁY HÓA
CHẤT DAP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

KHOÁ 2012B
Hà Nội – Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN ANH DŨNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO CÔNG ĐOẠN
SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC CỦA NHÀ MÁY HÓA CHẤT DAP

Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS.NGUYỄN QUANG ĐỊCH

Hà Nội – Năm 2015


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

SĐH.QT9.BM11

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : TRẦN ANH DŨNG
Đề tài luận văn
: Nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA cho
công đoạn sản xuất axit sunfuric của nhà máy hóa chất DAP.
Chuyên ngành
:Điều Khiển và Tự Động Hoá
Mã số SV
: CB120342
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày: 16/04/2015 với các nội dung sau:
1- Chỉnh sửa lỗi chính tả trong phần thuyết minh luận văn
2- Chỉnh sửa hình vẻ bị mờ
Ngày 20 tháng 04 năm 2015
Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Tác giả luận văn


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo T.S NGUYỄN QUANG ĐỊCH. Các số liệu kết quả trong
luận văn là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu ghi trong mục tài liệu
tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không được ghi trong phần tài liệu
tham khảo
Học viên

Trần Anh Dũng

4


MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 4
DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... 7
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC
DAP-VINACHEM ĐÌNH VŨ .................................................................................. 12

1.1. Sơ lược về nhà máy DAP Đình Vũ ................................................................12
1.2. Công nghệ sản xuất axit sunfuric....................................................................13
1.2.1.Nguyên liệu chính ....................................................................................13
1.2.2. Nhiên liệu và các nguyên liệu khác ........................................................16
1.2.3. Giới thiệu các phương pháp sản xuất axit sunfuric .................................17
1.3.Nghiên cứu tìm hiểu các công đoạn trong sản xuất axit sunfuric trong nhà
máy DAP................................................................................................................21
1.3.1. Công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh ...............................................................21
1.3.2. Công đoạn đốt lưu huỳnh ........................................................................24
1.3.3. Công đoạn nồi hơi ...................................................................................25
1.3.4. Công đoạn tiếp xúc..................................................................................26
1.3.5. Công đoạn hấp thụ- sấy khí.....................................................................30
1.3.6. Công đoạn kho axit .................................................................................37
1.4. Các bộ phận phụ trợ ........................................................................................37
1.4.1 Bộ phận máy nén không khí ....................................................................37
1.4.2.Bộ phận lọc dầu ........................................................................................37
1.5.Các mạch vòng điều khiển ...............................................................................38
1.6 Các tín hiệu cảnh báo, báo động chính ............................................................39
1.7. Nhận xét ..........................................................................................................45

1


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ HỆ THỐNG ABB
INDUSTRIALIT 800XA............................................................................................ 47
2.1. Tổng Quan về SCADA ...................................................................................47
2.1.1.Hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình công nghệ ............................47
2.1.2.Hệ thống điều khiển và giám sát công nghiệp SCADA...........................48
2.2. Tổng quan về hệ thống ABB IndustrialIT 800xA ...........................................50
2.2.1. Giới thiệu chung .....................................................................................50

2.2.2. Các thành phần của hệ IndustrialIT .........................................................51
2.3. Bộ điều khiển AC800M ..................................................................................52
2.3.1.Cấu trúc phần cứng của AC800M............................................................52
2.3.2.Kết nối AC800M với mạng điều khiển ....................................................58
2.3.3.Gói phần mềm cho AC800M ...................................................................59
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO CÔNG ĐOẠN
HẤP THỤ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC ............................................................. 62
3.1. Xây dựng cấu hình điều khiển công đoạn hấp thụ – nhà máy sản xuất
axit sunfuric ...........................................................................................................62
3.1.1. Đặt vấn đề ...............................................................................................62
3.1.2.Lựa chọn cấu hình điều khiển tổng quan .................................................62
3.2. Thiết kế hệ điều khiển và giám sát các thiết bị công đoạn hấp thụ sản xuất
axit sunfuric. ..........................................................................................................65
3.2.1.Tháp sấy T0141 ........................................................................................65
3.2.2.Hệ thống làm mát axit E0143 .................................................................66
3.2.3.Thùng axit tuần hoàn V0141 ...................................................................67
3.3. Thiết kế chương trình điều khiển công đoạn hấp thụ sản xuấtaxit sunfuric ...69
3.3.1.Phân tích đối tượng điều khiển của công đoạn hấp thụ, sản xuất axit
sunfuric ..............................................................................................................69
3.3.2. Các quá trình cân bằng trong thùng tuần hoàn V0141............................70
3.3.3.Tổng quan phương pháp điều khiển tách kênh ........................................83
3.3.4.Ứng dụng tách kênh toàn phần điều khiển thùng tuần hoàn V0141 ........88

2


3.4. Thiết kế giao diện vận hành, điều khiển, giám sát của công đoạn hấp thụ ....94
3.4.1.Lập trình với phần mềm Compact Control Builder .................................94
3.4.2. Lập trình giao diện vận hành, điều khiển, giám sát ................................97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 108

1. Kết luận ............................................................................................................108
2. Kiến nghị..........................................................................................................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 97
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 98

3


DANH MỤC VIẾT TẮT

SCADA

: Supevisory Control and Data Acquisition

RGA

: Relative Gain Array

HMI

: Human Machine Interface

SCM

: Single Control Module

PLC

: Programmable Logic Controller

CDC

: Compact Digital Controller

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng tính chất của lưu huỳnh nguyên tố ..................................................15
Bảng 1.2. Các mạch vòng điều khiển........................................................................38
Bảng 1.3. Các tín hiệu cảnh báo, báo động chính .....................................................39
Bảng 2.1. Khả năng kết nối của AC 800M với các module ....................................54
Bảng 3.1. Thiết bị phần cứng của ABB ....................................................................68

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Quá trình sản xuất axit sunfuric ................................................................13
Hình 1.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric .................................14
Hình 1.3. Các phương pháp sản xuất axit sunfuric ...................................................18
Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phương pháp tiếp xúc...............19
Hình 1.5. Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh chế khô .........20
Hình 1.6.Cân bằng khối lượng trong công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh .......................21
Hình 1.7. Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt ..........................24
Hình 1.8. Cân bằng về khối lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt ......................24
Hình 1.9. Cân bằng giữa lượng nước cấp với lượng hơi nước bão hoà ....................26
Hình 1.10. Cân bằng khối lượng trong công đoạn tiếp xúc ......................................26
Hình 1.11. Cân bằng khối lượng trong công đoạn hấp thụ .......................................30

Hình 1.12. Cân bằng khối lượng trong bộ phận sấy khí ...........................................30
Hình 1.13. Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của tháp hấp thụ..............30
Hình 2.1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất.......47
Hình 2.2 cấu trúc của hệ SCADA tổng quát .............................................................50
Hình 2.3. Sơ đồ hệ IndustrialIT .................................................................................51
Hình 2.4.Cấu hình bộ điều khiển AC800M với module vào ra S800 I/O ................53
Hình2.5. Các thế hệ CPU PM8xx của AC800M.......................................................53
Hình 2.6. Các dạng module vào ra S800...................................................................55
Hình 2.7. Kết nối AC 800M với S800 .....................................................................57
Hình 2.8. Kết nối AC 800M với S800 thông qua Profibus ......................................57
Hình 2.9.Một ví dụ của kết nối vào ra với FOUNDATION FIELDBUS .................58
Hình 2.10.Vị trí và vai trò cụ thể của từng phần mềm ..............................................60
Hình 3.1. Cấu hình điều khiển công đoạn hấp thụ ....................................................63
Hình 3.2. Lưu đồ P&ID tháp sấy T0141 ...................................................................66
Hình 3.3. Lưu đồ P&ID hệ thống làm mát axit.........................................................66
Hình 3.4. Lưu đồ P&ID thùng tuần hoàn V0141 ......................................................68

7


Hình 3.5. Sơ đồ đấu nối trong hệ điều khiển ............................................................69
Hình 3.6. Sơ đồ công nghệ công đoạn hấp thụ .........................................................69
Hình 3.7. Sơ đồ thùng tuần hoàn V0141 ...................................................................70
Hình 3.8. Các biến quá trình của thùng tuần hoàn V0141 ........................................72
Hình 3.9. Dạng hình học của thùng tuần hoàn V0141 ..............................................72
Hình 3.10.Mặt cắt của thùng V0141vớih ≤ R ..........................................................73

Hình 3.11. Mặt cắt của thùng V0141vớiR ≤ h ≤ 2R ...............................................73
Hình 3.12. Sơ đồ khối mô hình thùng tuần hoàn V0141 .........................................79
Hình 3.13. Cấu trúc điều khiển phi tập trung cho quá trình 2×2 ..............................80

Hình 3.14. Mô hình tách kênh phản hồi trạng thái ...................................................83
Hình 3.15. Sơ đồ tổng quát tách kênh truyền thẳng ..................................................84
Hình 3.16. Sơ đồ tách kênh từng phần ......................................................................85
Hình 3.17. Sơ đồ tách kênh toàn phần ......................................................................86
Hình 3.18. Sơ đồ tách kênh động toàn phần - tổng quát ...........................................87
Hình 3.19. Sơ đồ tách kênh SVD ..............................................................................87
Hình 3.20. Sơ đồ tách kênh cho thùng tuần hoàn V0141 .........................................88
Hình 3.21. Cấu trúc điều khiển thùng tuần hoàn V0141...........................................89
Hình 3.22. Mạch vòng điều chỉnh mức của thùng V0141với phương pháp tách
kênh ...........................................................................................................................90
Hình

3.23.

Mạch

vòng

điều

chỉnh

nồng

độ

của

thùng

V0141

với phương pháp tách kênh .......................................................................................91
Hình 3.24. Mô hình DecouplerControl.mdl ..............................................................92
Hình 3.25. Đáp ứng nồng độ và mức với phương pháp điều khiển tách kênh .........93
Hình 3.26. Thư viện của Compact Control Builder ..................................................94
Hình 3.27. Lập trình mô hình thùng tuần hoàn V0141 .............................................95
Hình 3.28. Lập trình bộ điều khiển tách kênh ...........................................................95
Hình 3.29. Lập trình bộ điều khiển mức LIC-1252 .................................................96
Hình 3.30. Lập trình bộ điều khiển mức AICSA – 1258 .........................................97
Hình 3.31. Màn hình giao diện tổng quan toàn nhà máy ..........................................97

8


Hình 3.32.Màn hình giao diện vận hành công đoạn hấp thụ ....................................98
Hình 3.33. Màn hình giao diện vận hành công đoạn hấp thụ – sấy khí ....................99
Hình 3.34. Màn hình giao diện vận hành công đoạn hấp thụ – hệ thống làm mát
axit .............................................................................................................................99
Hình 3.35. Faceplate của bộ điều khiển mức ..........................................................100
Hình 3.36. Faceplate của bộ điều khiển nồng độ ....................................................100
Hình 3.37. Log Configuration .................................................................................101
Hình 3.38. Hộp thoại xem dữ liệu lịch sử ...............................................................102
Hình 3.39. Hộp thoại xuất dữ liệu lịch sử ...............................................................103
Hình 3.40. Đồ thị xu hướng ....................................................................................103
Hình 3.41. Thanh công cụ của đồ thị xu hướng ......................................................105
Hình 3.42. Các đặc tính mức của thùng tuần hoàn V0141 .....................................106
Hình 3.43. Các đặc tính nồng độ axit của thùng tuần hoàn V0141 ........................107

9

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp trên thế giới nói chung và các nhà
máy công nghiệp ở nước ta nói riêng, nhu cầu sử dụng axit sunfuric ngày càng gia
tăng. Axit sunfuric là nguyên liệu không thể thiếu, phục vụ nhiều ngành công
nghiệp như: ngành sản xuất phân bón, sản xuất acquy, sản xuất axit photphoric,…
Trong quá trình tìm hiểu thông tin khoa học tác giả đã được biết đến dự án nhà máy
DAP Đình Vũ – Hải Phòng nổi nên với công nghệ tiên tiến và là nơi sản xuất phân
bón DAP hàng đầu VIỆT NAM. Tác giả đã tới và được tiếp cận với công nghệ sản
xuất axit sunfuric. Qua quá trình làm việc và tìm hiểu, tác giả nhận thấy công đoạn
hấp thụ của nhà máy bao gồm các đối tượng khá hấp dẫn: tồn tại nhiều quá trình cân
bằng ( vật chất, năng lượng ). Nhà máy sản xuất axit sunfuric sử dụng công nghệ
đốt lưu huỳnh rắn, tinh chế khô – tiếp xúc kép. Đây là công nghệ tiên tiến nhưng hệ
điều khiển do công ty nhà thầu Trung Quốc thiết kế với sự giảm thiểu tối đa về nền
kinh tế nên chất lượng điều khiển chưa cao, tính ổn định và bền vững của hệ thống
còn thấp. Khi xảy ra sự cố cần chuyên gia nước ngoài sang xử lý mất nhiều thời
gian. Chi phí thay thế cao. Do vậy tác giả nảy ra ý tưởng nghiên cứu thiết kế mô
hình hệ thống nhằm làm chủ hệ thống điều khiển chủ động hơn trong các hoạt động
bảo trì bảo dưỡng và thay thế các thiết bị dự phòng.
Bản luận văn này giới hạn trong việc nghiên cứu tìm hiểu dây chuyền sản xuất
axit sunfuric, cụ thể là công đoạn hấp thụ. Tác giả tập trung thiết kế nghiên cứu xây
dựng hệ thống điều khiển vận hành và giám sát cho công đoạn hấp thụ. Xây dựng
các bộ điều khiển cho thùng tuần hoàn V0141 đảm bảo nồng độ axit 98,3%.
Nội dung chính của luận văn bao gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan công nghệ sản xuất axit sunfuric DAPVINACHEM Đình Vũ

10

Chương 2: Giới thiệu tổng quan về SCADA và hệ ABB
INDUSTRIALIT 800XA
Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển vận hành giám sát công đoạn hấp
thụ sản xuất axit sunfuric
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu tác giả đã có nhiều thuận lợi khi được
thăm quan thực tế tại nhà máy, được cung cấp tài liệu thống kê trong quá trình vận
hành cũng như tài liệu công nghệ rất hữu ích trong quá trình mô hình hóa. Tôi xin
chân thành cảm ơn T.S NGUYỄN QUANG ĐỊCH người có kinh nghiệm làm việc
thực tế lâu năm và có kiến thức nền tảng vững chắc đã hướng dẫn nhiệt tình cho tôi
trong quá trình thực hiện luận văn này. Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo và
kỹ sư nhà máy DAP – VINACHEM đã tạo điều kiện và hỗ trợ tôi trong suốt thời
gian qua.
Hà Nội, ngày 24 tháng 3 năm 2015

Học viên

Trần Anh Dũng

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT
SUNFURIC DAP-VINACHEM ĐÌNH VŨ
1.1. Sơ lược về nhà máy DAP Đình Vũ
Dự án đầu tư xây dựng Nhà máy sản xuất phân bón Diamoni phốt phát (DAP)
Đình Vũ là dự án nhóm A của Chính Phủ được Thủ Tướng phê duyệt đầu tư tại
Quyết định số 626/QĐ – TTg ngày 29/7/2002 được Thủ Tướng phê duyệt đầu tư
với tổng mức đầu tư 172,385 triệu USD. Do Tổng Công ty Hoá chất Việt Nam làm
chủ đầu tư, được xây dựng trên diện tích 72 ha.

Căn cứ theo quyết định số 406/QĐ-HCVN ngày 24/7/2008 của Tổng công ty
Hoá chất Việt Nam phê duyệt điều lệ, tổ chức và hoạt động của công ty TNHH
MTV DAP-VINACHEM, Công ty được thành lập từ Ban Quản lý Dự án DAP Hải
Phòng.
Dự án nhà máy phân bón DAP, công suất 330.000tấn/năm tại Khu Kinh tế
Đình Vũ, Hải Phòng là một trong những dự án trọng điểm của nghành Hoá chất, đã
được Thủ Tướng chính phủ phê duyệt trong quy hoạch phát triển nghành, với mục
tiêu đảm bảo an ninh lương thực, ổn định và chủ động cung cấp phân bón DAP
cho nông nghiệp, hạn chế nhập khẩu, sử dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu chính là
quặng Apatit trong nước và tạo việc làm cho hơn 600 công nhân. Về quy mô, ngoài
nhà máy điện, Dự án gồm có 3 xưởng công nghệ chính là nhà máy Axit Sunfulric
công suất 440.000tấn/năm sử dụng công nghệ Monsanto của Mỹ; Nhà máy axít
photphoric công suất 162.000tấn/năm sử dụng công nghệ Prayon của Bỉ, Nhà máy
Diamoni phốt phát (DAP) công suất 330.000 tấn/năm sử dụng công nghệ của Tây
Ban Nha, với tổng giá trị đầu tư 172 triệu USD, diện tích sử dụng đất là 72ha tại
Lô GI – 7 Khu Kinh tế Đình Vũ, Phường Đông Hải 2, Quận Hải An, Hải Phòng.
Sau gần 2 năm, kể từ ngày đóng chiếc cọc đầu tiên trên công truờng, với ý chí
quyết tâm cao, với tinh thần nỗ lực, khắc phục mọi khó khăn gian khổ của hàng
nghìn cán bộ công nhân viên của Chủ đầu tư, Ban quản lý dự án, nhà thầu chính thi
công gói thầu số 2 (EPC), các nhà thầu phụ gồm tư vấn quản lý dự án và 17 gói thầu

12


do các nhà thầu trong nước thực hiện, ngày 25/3/2009 xưởng Axit Sunfulric được
chạy thử thành công, ngày 3/4/2009 lần đầu tiên tại Việt Nam đã sản xuất được Axit
Phôtphoric trích ly từ quặng Apatit. Vào lúc 2h55 phút ngày 12/4/2009 tấn sản
phẩm DAP đầu tiên được sản xuất tại Việt Nam đã được chuyển về kho thành
phẩm.
Công ty TNHH MTV DAP-VINACHEM là công ty đầu tiên trong Tổng Công

ty Hoá chất Việt Nam và cũng là công ty đầu tiên trong nước Việt Nam sản xuất
phân bón Diamoi Phốtphát (DAP).
1.2. Công nghệ sản xuất axit sunfuric
S nguyên tố
Hơi nước bão hoà

đầu vào

Hoá lỏng, đốt S,
tiếp xúc kép,
hấp thụ

Không
khí

đầu ra H2SO4

Dầu
DO

Hình 1.1. Quá trình sản xuất axit sunfuric
+ Sản phẩm của các dây chuyền sản xuất axít có 5 loại:
+ Sản phẩm axít kỹ thuật 98,3%,
+ Sản phẩm axít ắc quy,
+ Sản phẩm axít tinh khiết loại P,
+ Sản phẩm axít tinh khiết phân tích loại PA, có nồng độ ≥ 92,5%,
+ Sản phẩm nồng độ 76÷85% đưa sang sản xuất DAP được chế biến qua
bộ phận trộn để hạ nồng độ axít từ 95 ÷ 98,3 ± 0,4% xuống 76 ÷ 85%.
1.2.1.Nguyên liệu chính
Nguyên liệu sản xuất axít sunfuric rất phong phú, bao gồm lưu huỳnh nguyên

tố, các hợp chất có chứa lưu huỳnh như các muối sunfua, sunfat kim loại, khí thiên
nhiên. Tổng lượng lưu huỳnh có chứa trong vỏ trái đất chiếm khoảng 0,1% khối
lượng.

13


Nguyên liệu
Hơi nước
S nguyên
bão hoà 6at 158oC
tố

Mạng hơi
chung

CÔNG ĐOẠN HOÁ
LỎNG LƯU HUỲNH
Không khí
khô

S lỏng
CÔNG ĐOẠN LÒ
ĐỐT S

Dầu DO

SO2 1000 oC
Nước mềm

Không khí
khô

CÔNG ĐOẠN
NỒI HƠI

hơi nước
bão hoà

SO2 430 oC
CÔNG ĐOẠN
TIẾP XÚC
SO3

BỘ PHẬN
SẤY KHÍ

H 2SO4 95%

CÔNG ĐOẠN
HẤP THỤ
H 2SO4 98,3%

Không axit từ
Thùng tuần hoàn
khí

CÔNG ĐOẠN
KHO AXIT
H 2SO4

76-85%

AXIT CẤP SANG CÁC XÍ NGHIỆP DAP
Hình 1.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric

14


1.2.1.1. Tính chất của lưu huỳnh
Lưu huỳnh nguyên tố có nguyên tử lượng 32,064, ở nhiệt độ thường lưu
huỳnh tồn tại ở dạng chất rắn màu vàng. Lưu huỳnh nguyên tố tồn tại ở hai dạng thù
hình là dạng đơn tà và dạng hình thoi. Lưu huỳnh nguyên tố dẫn điện và dẫn nhiệt
kém, thực tế nó không tan trong nước. Khi nóng chảy thể tích nó tăng lên tới 15%.
Các tính chất của lưu huỳnh nguyên tố:
Bảng 1.1. Bảng tính chất của lưu huỳnh nguyên tố
Tính chất

Dạng đơn tà

Dạng hình thoi

Tỷ trọng: g/cm3

1,96

2,07

Phạm vi bền nhiệt: oC

95,6 ÷ 119,3

< 95,6

Nhiệt độ nóng chảy: oC

119,3

112,8

Nhiệt nóng chảy: J/g

45,3

39,4

10,8

9,4

Cal/g

Tính chất lưu huỳnh nguyên tố phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của nó. Ở điều kiện
thường phân tử lưu huỳnh gồm có 8 nguyên tử lưu huỳnh khép kín (S8). Ở 160oC
các vòng kín mở ra thành mạch thẳng làm cho độ nhớt của lưu huỳnh tăng lên. Tiếp
tục đốt nóng thì các mạch thẳng bị cắt ngắn làm cho độ nhớt giảm.
Lưu huỳnh nguyên tố sôi ở 444,6oC. Hơi lưu huỳnh gồm cả S8, S6, S4, S2. Ở
nhiệt độ khoảng 900oC hơi lưu huỳnh chủ yếu là S2, ở nhiệt độ trên 1600oC lưu
huỳnh bị phân huỷ thành các nguyên tử độc lập. Ở nhiệt độ trên 1700oC hơi lưu
huỳnh hầu hết là các nguyên tử lưu huỳnh.

1.2.1.2. Ứng dụng của lưu huỳnh
Lưu huỳnh nguyên tố được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản
xuất axít sunfuric, công nghiệp giấy, nông nghiệp. Lưu huỳnh nguyên tố là nguyên
liệu tốt nhất cho sản xuất axít sunfuríc vì: Khi đốt lưu huỳnh nguyên tố ta thu được
hỗn hợp SO2 có nồng độ cao, điều này rất có lợi trong công nghệ sản xuất axít
sunfuríc bằng phương pháp tiếp xúc.

15


Lưu huỳnh nguyên tố không có tạp chất asen và đặc biệt nó không có xỉ do
vậy dây chuyền sản xuất đi từ nguyên liệu này rất ngắn, đơn giản, không có thiết bị
tinh chế khí SO2.
Lưu huỳnh nguyên tố là nguyên liệu khá rẻ tiền do vậy có thể hạ được giá
thành sản phẩm.
1.2.2. Nhiên liệu và các nguyên liệu khác
1.2.2.1. Không khí
Không khí chứa 21% ôxy và 79% nitơ. Ôxy dùng để ôxy hoá S thành SO2 và
sau đó ôxy hoá SO2 thành SO3 với sự có mặt của chất xúc tác V2 O5 .

Không khí phải được qua tháp sấy T141 để sấy khô không khí đến độ ẩm còn

khoảng 0,015% (theo % thể tích). Nếu hàm lượng cao sẽ sinh ra mù ở tháp hấp thụ
T0142.
1.2.2.2. Nước làm lạnh tuần hoàn (nước thô)
Nước thô là nước sử dụng tuần hoàn để làm lạnh các giàn làm lạnh axit. Nhu
cầu nước làm lạnh là 900 m3 /h.

1.2.2.3.Nước mềm cung cấp cho nồi hơi
Nước mềm là nước không chứa muối canxi và muối magiê. Nước mềm được

lấy từ đường cấp nước mềm trong mạng nước chung của công ty.Nhu cầu nước
mềm cần dùng cho nồi hơi 18,7 tấn/h.
1.2.2.4. Hơi nước
Hơi nước bão hoà được lấy từ mạng hơi toàn công ty.Hơi sử dụng để khởi
động và nấu chảy lưu huỳnh:
+ Lưu lượng hơi nước cần cho khởi động : 2,5 – 3 tấn/h
+ Áp lực hơi sản xuất

: 25 kg/cm2

+ Nhiệt độ hơi

: 1580 C

16


1.2.2.5. Dầu DO
Lấy từ hệ thống đường ống cấp dầu ở trạm chung của công ty. Nhiên liệu được
sử dụng cho việc khởi động lò đốt được chọn là dầu DO:
+ Lưu lượng cần thiết khi khởi động

: 0,5T/h

+ Nhiệt độ dầu đốt

: 900 C

+ Áp lực
1.2.2.6. Khí nén

: 5 kg/cm2

Lấy từ hệ thống mạng ống khí nén chung của công ty.Khí nén được sử dụng
cho các dụng cụ đo lường và điều khiển tự dộng trong dây chuyền sản xuất của xí
nghiệp là không khí ẩm:
+ Lượng không khí nén cần thiết cho toàn bộ dây chuyền

: 50 Nm3 /h
: 6KG/cm2

+ Áp lực cần thiết
1.2.2.7. Vài nét về axit sunfuric

Axit sunfuric có CTHH là H2SO4 .Axit sunfuric khan là một loại axit vô cơ mạnh,
không màu, đặc sánh, có tính chất hút ẩm, hòa tan trong nước theo tỉ lệ bất kỳ.
Trong hóa học, axit sunfuric được xem là hợp chất của SO3 và H2O:
Nếu tỉ lệ SO3/H2O ≤ 1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric.
Nếu tỉ lệ SO3/H2O >1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric bốc khói hay oleum.
Trong công nghiệp, axit sunfuric có nhiều ứng dụng quan trọng: dùng sấy khô
khí trong các ngành hóa chất khác (sản xuất HCl, Cl2…), sản xuất supe lân đơn,
phèn, sử dụng cho ngành ắc quy, làm hóa chất phân tích…
1.2.3. Giới thiệu các phương pháp sản xuất axit sunfuric
Mặc dù có nhiều phương pháp sản xuất axit sunfuric khác nhau nhưng trong thực tế
các nhà máy hoá chất vẫn thường sản xuất theo 3 phương pháp sau:

17


Các phương pháp sản

xuất axit sunfuric

Phương pháp
tiếp xúc (cổ điển)

Phương pháp
tinh chế khô

Phương pháp tinh chế
khô - tiếp xúc kép

Hình 1.3. Các phương pháp sản xuất axit sunfuric
1.2.3.1. Phương pháp tiếp xúc
Quá trình sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc diễn ra theo 4 giai
đoạn chính:
+ Tạo ra khí sunfurơ SO2 .

+ Làm sạch các tạp chất khỏi hỗn hợp khí.
+ Oxi hoá SO2 thành SO3 nhờ các chất xúc tác.

+ Hấp thụ SO3 thành axit sunfuric.

Sản xuất axit theo phương pháp tiếp xúc có nhiều điểm mâu thuẫn:
+ Hỗn hợp khí lò nóng được làm nguội ở công đoạn làm sạch khí nhưng lại
phải đốt nóng ở công đoạn oxi hóa SO2 .

+ Hỗn hợp khí lò được làm ẩm gần như bão hòa hơi nước ở tháp tăng ẩm, sau

đó lại phải sấy khô ở tháp sấy.
+ Các tạp chất trong hỗn hợp khí lò được chuyển thành dạng mù axit ở các

tháp rửa sau đó lại phải tách hết mù ở các lọc điện ướt.
Để khắc phục những mâu thuẫn trên người ta đưa ra phương pháp tinh chế khô.
1.2.3.2. Phương pháp tinh chế khô
Đặc điểm quan trọng nhất của công nghệ sản xuất axit theo phương pháp tinh
chế khô là: hỗn hợp khí lò nóng sau khi lọc bụi, không qua làm nguội, rửa, sấy mà
được đưa thẳng vào tháp tiếp xúc. Bên cạnh đó, ở đây quá trình hấp thụ SO3 diễn ra

kèm theo quá trình ngưng tụ hơi axit. Nếu so với phương pháp tiếp xúc có 4 giai
đoạn thì phương pháp tinh chế khô có 3 giai đoạn.

18


Hỗn hợp khí lò sau khi lọc bụi được cho qua tháp truyền nhiệt rồi đi thẳng vào
tháp tiếp xúc có đặt các lớp xúc tác vanađi. Để giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí sau
các lớp xúc tác thường dùng không khí bổ sung trực tiếp (hoặc dùng trao đổi nhiệt).
Khí sau khi chuyển hóa được đưa sang tháp ngưng tụ loại đệm có tưới axit
nồng độ 93 – 95% H2 SO4 . Khí thải được đưa qua lọc sợi thủy tinh và lọc điện ướt
để tách mù axit trước khi thải ra ngoài không khí. Trong tháp ngưng tụ, khí SO3 sẽ
được hấp thụ thành axit.

11
5
10
4

6

7

8

9
12

Không
khí

1

2

3

1

- Tháp sấy

7

- Lò đốt S

2

- Tháp tách giọt

8

- Nồi hơi

3

- Quạt khí

9

- Tháp tiếp xúc

4
5
6

- Thùng lắng
- Lọc
- Thùng chứa S

10
11
12

- Truyền nhiệt
- Tháp hấp thụ
- Bể chứa axit

Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phương pháp tiếp xúc

19


Để sản xuất axit sunfuric theo sơ đồ tinh chế có thể sử dụng các loại nguyên

liệu: quặng pyrit, khí thải của các lò luyện kim màu, thạch cao …
Sản xuất axit theo phương pháp này có nhược điểm: năng suất chưa cao, vẫn
chưa giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm môi trường.

5

2
7
1

3

4

6

1

- Lọc điện khô

5

- Lọc sợi thuỷ tinh

2

- Tháp truyền nhiệt

6

- Lọc điện ướt

3

- Tháp tiếp xúc

7

- Quạt khí

4

- Tháp ngưng tụ

Hình 1.5. Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh chế khô
1.2.3.3. Phương pháp tinh chế khô – tiếp xúc kép
Trong công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp này có thêm một
tháp tiếp xúc và một tháp hấp thụ nhằm mục đích tăng khả năng chuyển hóa trong
quá trình tiếp xúc và hấp thụ. Nói một cách khác là để tăng năng suất và giảm bớt
những chất độc hại trong khí thải.
Công nghệ sản xuất axit sunfuric từ nguyên liệu lưu huỳnh rắn theo phương
pháp tiếp xúc và hấp thụ 2 lần là công nghệ sản xuất tiên tiến hiện nay trên thế
giới.Lưu huỳnh nóng chảy được đốt trong lồ đốt loại nằm ngang tạo thành hỗn hợp
khí SO2 . Hỗn hợp khí này được đưa vào hệ thống tháp tiếp xúc, sử dụng V2 O5 để
20


chuyển hoá SO2 thành SO3 . Khí SO3 được hấp thụ tạo thành axit sunfuric H2 SO4

(trong hệ thống hấp thụ hai lần). Hiệu suất chuyển hoá SO2 đạt 99,6%, hiệu suất hấp

thụ SO3 đạt 99,9%.

1.3.Nghiên cứu tìm hiểu các công đoạn trong sản xuất axit sunfuric trong nhà

máy DAP.
Công nghệ sản xuất axit sunfuric của xí nghiệp axit được chia ra làm các cộng
đoạn sau:
+ Công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh.
+ Công đoạn lò đốt lưu huỳnh – nồi hơi.
+ Công đoạn tiếp xúc.
+ Công đoạn hấp thụ - sấy khí.
+ Công đoạn kho axit.
Đầu vào và đầu ra của mỗi công đoạn có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, dựa
trên hai định luật cơ bản là: định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn
khối lượng. Điều này có nghĩa là tổng năng lượng và khối lượng đầu vào của mỗi
công đoạn phải cân bằng với tổng năng lượng và khối lượng đầu ra của công đoạn
đó.
1.3.1. Công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh
1.3.1.1. Mục đích:
Chuyển S dạng rắn thành dạng nóng chảy trước khi đưa sang công đoạn đốt
lưu huỳnh.
1.3.1.2.Các cân bằng trong công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh
S nguyên tố, rắn
Hơi nước bão hoà 6at

S lỏng
Công đoạn hoá
lỏng lưu huỳnh

nước ngưng

Hình 1.6.Cân bằng khối lượng trong công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh

21


Đối tượng điều khiển là thùng hoá lỏng S. Đây là thiết bị trao đổi nhiệt gián
tiếp dạng ống xoắn ruột gà, trong thùng có cánh khuấy để tăng hiệu quả trao đổi
nhiệt. Hơi nước đi trong ống, thực hiện trao đổi nhiệt qua thành ống với S rắn ở
ngoài. Khi nhiệt độ trong thùng đạt 140 ÷145oC thì S nóng chảy.
1.3.1.3. Quá trình vận hành
Lưu huỳnh từ kho chứa được cầu trục múc lên bunke chứa lưu huỳnh, sau đó
được vận chuyển bằng băng tải, để đưa vào thiết bị hoá lỏng. Trong thiết bị hoá
lỏng có bố trí các cụm trao đổi nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất 6at, nhiệt độ
1580C để gia nhiệt hoá lỏng lưu huỳnh. Để tăng cường hoá lỏng, trong thiết bị hoá
lỏng có bố trí thiết bị khuấy trộn. Lưu huỳnh sau khi được hoá lỏng chảy tràn sang
thùng lắng V0111 để lắng cặn. Cặn trong lưu huỳnh lỏng được lắng xuống đáy và
định kỳ tháo xả ra ngoài. Bể lưu huỳnh nóng chảy V0111 là một thiết bị hình trụ
nắp nổi trên mặt đất có chứa các ống xoắn hơi để truyền nhiệt đến lưu huỳnh lỏng,
trao đổi nhiệt với lưu huỳnh rắn, nhiệt độ hơi bể nóng chảy lưu huỳnh thường được
duy trì ở 135 145oC. Trong bể nóng chảy lưu huỳnh có lắp một động cơ cánh
khuấy A0111 để trộn đều lưu huỳnh bẩn. Lưu huỳnh sau khi được đun nóng chảy ở
V0111 chảy tràn sang bể lưu huỳnh bẩn V0113, lưu huỳnh bẩn được trộn đều bởi
cánh khuấy A0112. Trong bể lưu huỳnh bẩn V0113 có hai bơm P0111A và bơm
P0111B nhằm bơm đến máy lọc lưu huỳnh.
Bơm P011A bơm lưu huỳnh bẩn đến thiết bị lọc lưu huỳnh F0111A, bơm
P011B bơm lưu huỳnh bẩn đến thiết bị lọc lưu huỳnh F0111B. Ban đầu lưu huỳnh
bẩn ở V0113 vào bể phủ lót lưu huỳnh V0114 ở giai đoạn khởi động dây truyền, sau
đó lưu huỳnh sạch sẽ được bơm vào bể V0114 từ các thiết bị lọc. Bể lưu huỳnh lót

V0114 có một cánh khuấy A0113 và một bơm P0112 để phủ lót thiết bị lọc bằng
chất trợ lọc và cải thiện hiệu suất lọc. Ngoài ra thiết bị lọc và bể phủ lót có đường
hồi tiếp về bể lưu huỳnh bẩn V0113. Hệ thống được đặt công suất để nóng chảy và
lọc lưu huỳnh lên đến 450tấn/h. Một thiết bị lọc sẽ luôn được vận hành khi thiết bị
kia dừng để vệ sinh và mạ lót. Lưu huỳnh sạch sau khi được lọc qua thiết bị lọc tự

22